Smältning av aluminiumlegering, Formulering, och gjutningsteknik

Att producera högkvalitativt råmaterial och gjutgods för strängsprutning av aluminium kräver integrerad kontroll av legeringskemi, smälta renlighet, termisk historia och stelningsbeteende.

Små mängder föroreningar, olämplig smältning eller avgasning, eller okontrollerad stelning kan förneka annars korrekta kemier.

Detta papper syntetiserar legeringsdesignprinciper (med tonvikt på Al-Mg-Si / 6063), rekommenderade smältnings- och raffineringsmetoder, kornförfining och gjutningsparametrar, homogeniseringsstrategi,

och felsökningsåtgärder för att minimera typiska defekter (porositet, oxidinneslutning, grovt korn, segregation).

1. Kontrollfilosofi: sammansättning och föroreningsbudget

• Primär regel: enbart en kvalificerad legeringssammansättning är nödvändigt men inte tillräckligt.
  Summan av spårföroreningar (TILL EXEMPEL., Fe, Cu, Zn, Mn, Av, andra) och oavsiktliga element måste kontrolleras till gränser som bevarar ytfinishen, extruderingssvar och slutliga mekaniska egenskaper.
• Exempel (praktisk): även om vissa standarder tillåter Zn upp till 0.10 viktprocent i vissa smideslegeringar,
  produktionserfarenhet visar det Zn ≥ 0.05 wt% kan ge vita fläckar på oxiderade extruderingsytor;
  många producenter riktar sig därför till Zn < 0.05 wt% för profiler med ljus finish.
• Föroreningar samverkar: den kumulativa "orenhetsbudgeten" är ofta viktigare än att någon enskild del uppfyller en specifikation.

2. Legeringsformulering: triaden Al–Mg–Si (6063 familj)

• 6063 nominella intervall av aluminiumlegering (exempel, per GB/T och vanlig praxis): Och ≈ 0.2–0,6 viktprocent; Mg ≈ 0.45–0,9 vikt%; Fe ≤ 0.35 wt%; andra element (Cu, Mn, Cr, Zr, Av) typiskt < 0.10 wt%. (Se slutproduktspecifikationen för exakta toleranser.)
• Förstärkningsfas: Mg2Si är den huvudsakliga härdningsfasen. Dess effektivitet beror på Mg:Si atom/vikt-förhållande — Mg:Si-viktförhållandet för Mg2Si är ≈ 1.73.
  För att maximera åldershärdningen, upprätthålla Mg:Och ≤ 1.73 (dvs. dvs. dvs. -n, dvs. -nicken, dvs. -nicken, dvs. -nicken.. undvika Mg-överskott).
  Överskott av Si har begränsad negativ effekt på Mg2Si-lösligheten; överskott av Mg minskar lösligheten och ålderssvaret.
• Löslighet och värme/åldersbeteende (praktiska uppgifter): Mg2Si visar starkt temperaturberoende; det pseudo-binära α(Al)–Mg₂Si eutektiska former nära 595 ° C.
  Maximal Mg2Si-löslighet som anges i praktiken är ≈ 1.85 wt%, och kl 500 ° C lösligheten faller till ≈ 1.05 wt%.
  Följaktligen, högre lösningsbehandlingstemperaturer och adekvat släckningshastighet ökar retentionen av lösta ämnen och ökar åldringsstyrkan - men praktiska gränser finns för att undvika begynnande smältning och överdriven oxidation.

3. Smältteknik av 6063 Aluminiumlegering

Smältning är den mest kritiska processen för att producera hög kvalitet aluminiumlegering billetter.

Felaktig processkontroll kan leda till olika gjutfel, såsom slagginslutningar, porositet, grova korn, och fjäderlika kristaller.

Följande viktiga tekniska punkter måste implementeras strikt:

Exakt kontroll av smälttemperaturen

Den optimala smälttemperaturen för 6063 aluminiumlegering är 750–760°C. Temperaturkontroll är kritisk av följande skäl:

• Risk för låg temperatur: Temperaturer under 750°C ökar viskositeten hos aluminiumsmältan, minska effektiviteten av slaggseparering och öka sannolikheten för slagginslutningsdefekter i ämnen.
• Hög temperaturrisk: Temperaturer över 760°C orsakar en kraftig ökning av vätelösligheten i aluminiumsmältan.
  Metallurgisk forskning visar att vätelösligheten i aluminium ökar exponentiellt med temperaturer över 760°C.
  Alltför höga temperaturer påskyndar också oxidationen och nitreringen av smältan, leder till ökad förbränningsförlust av legeringselement, och inducerar direkt defekter såsom grova korn och fjäderliknande kristaller.

Ytterligare åtgärder för att minska väteabsorptionen inkluderar:

• Förvärmning av smältugnar och verktyg till 200–300°C för att eliminera ytfukt.
• Använd endast torr, oförslitna råvaror och flussmedel för att undvika att fukt kommer in i smältan.

Val av högkvalitativa flöden och optimering av raffineringsprocesser

Fluxer (inklusive slaggborttagare, raffinaderier, och täckmedel) är väsentliga hjälpmaterial för smältning av aluminiumlegeringar.
De flesta kommersiella flussmedel består av klorider och fluorider, som är mycket hygroskopiska. Dålig flödeshantering är en viktig källa till väteförorening i smältan.

Flux kvalitetskontroll

• Råvaror för flussproduktion måste torkas ordentligt för att avlägsna fukt, och det färdiga flussmedlet måste vara hermetiskt förpackat för att förhindra hygroskopisk absorption under lagring och transport.
• Uppmärksamhet måste ägnas åt produktionsdatumet för flödet; utgångna flussmedel tenderar att absorbera fukt,
  som reagerar med aluminiumsmältan för att producera väte (2Al + 3H2O → AI2O3 + 3H₂ ↑), leder till porositetsdefekter i ämnen.

Optimering av pulverinjektionsraffineringsprocessen

Pulverinjektionsraffinering är den mest använda raffineringsmetoden för 6063 aluminiumlegering, eftersom det möjliggör full kontakt mellan raffineringsmedlet och smältan.

De tekniska kärnpunkterna i denna process är:

1. Kvävetryckskontroll: Kvävetrycket bör hållas så lågt som möjligt, precis tillräckligt för att föra raffineringsmedlet in i smältan.
   Högt kvävetryck orsakar våldsam turbulens och stänk av smältan, ökar bildningen av nya oxidfilmer och risken för oxidinneslutningsdefekter.
2. Renhetskrav för kväve: Högrent kväve (≥99,99%) måste användas för raffinering.
   Oren kväveinnehållande fukt kommer att införa ytterligare väte i smältan, motverkar förädlingseffekten.
3. Dosering av raffineringsmedel: Principen om mer flux, mindre gas bör följas.
   En ökning av dosen av raffineringsmedlet kan förstärka avgasnings- och slaggavlägsningseffekten, samtidigt som en minskad kväveanvändning kan sänka produktionskostnaderna och minimera smältturbulens.
   Kärnprocessens mål är att injicera den maximala mängden raffineringsmedel i smältan med den minsta mängden kväve.

Spannmålsförfiningsbehandling

Spannmålsförfining är en av de mest effektiva åtgärderna för att förbättra kvaliteten på aluminiumlegeringsämnen och lösa gjutdefekter som porositet, grova korn, och fjäderlika kristaller.

Mekanismen för spannmålsförfining är som följer:

Under icke-jämviktsstelning, föroreningselement (inklusive legeringselement) tenderar att segregera vid korngränserna.
Finare korn ökar den totala korngränsytan, vilket minskar koncentrationen av föroreningselement vid varje korngräns.
För orenheter, detta minskar deras skadliga effekter; för legeringselement, detta förbättrar deras fördelningslikformighet och förbättrar deras förstärkande effekt.

Effekten av spannmålsförädling kan illustreras med en enkel beräkning: antag två metallblock med samma volym V, består av kubiska korn.

Om kornsidans längd på blocket 1 är 2a och blockets 2 är en, blockets totala korngränsarea 2 är dubbelt så stor som blocket 1.

Detta innebär att en halvering av kornstorleken fördubblar korngränsytan, och halverar föroreningskoncentrationen per enhet korngränsyta.

För 6063 legering som används i frostade profiler, spannmålsförfining är särskilt viktig.

Finare, mer enhetliga korn säkerställer att profilytan är jämnt korroderad under frostingsprocessen, resulterar i en konsekvent, frostad finish av hög kvalitet.

Vanliga spannmålsraffinörer för aluminiumlegeringar inkluderar Al-Ti-B masterlegeringar, som vanligtvis tillsätts till smältan i en dos av 0,1–0,3 viktprocent.

4. Gjutteknik av 6063 Aluminiumlegering

Gjutning är processen att omvandla den raffinerade aluminiumsmältan till fasta ämnen med specificerade dimensioner. Rimliga gjutprocessparametrar är avgörande för att producera högkvalitativa ämnen.

Följande viktiga tekniska punkter måste betonas:

Val av optimal gjuttemperatur

För 6063 legeringssmältor behandlade med spannmålsraffinörer, den optimala gjuttemperaturen är 720–740°C. Detta temperaturområde bestäms av följande faktorer:

1. Den kornraffinerade smältan har högre viskositet och snabbare stelningshastigheter; en måttligt förhöjd gjuttemperatur säkerställer god flytbarhet av smältan och förhindrar kallstängningsdefekter.
2. Under gjutning, en vätske-fast tvåfaszon bildas vid ämnets stelningsfront.
   En måttligt hög gjuttemperatur smalnar av denna tvåfaszon, vilket underlättar utsläppet av gaser som genereras under stelning och minskar porositetsdefekter.

Dock, gjuttemperaturen bör inte vara för hög, eftersom höga temperaturer kommer att förkorta spannmålsraffinörens effektiva tid och leda till grova kornstrukturer i ämnet.

Förvärmning av gjutsystem

Alla komponenter i gjutsystemet, inklusive tvätterier, distributörer, och formar, måste vara helt förvärmd och torkad till 200–300°C före gjutning.

Detta förhindrar reaktionen mellan fukt på ytan av dessa komponenter och högtemperaturaluminiumsmältan, som är en viktig källa till väteförorening.

Förebyggande av smältturbulens och oxidinneslutning

Under gjutning, turbulens och stänk av aluminiumsmältan måste minimeras. Följande operativa riktlinjer bör följas:

• Undvik att röra om smältan i tvätten eller fördelaren med verktyg, eftersom detta kommer att bryta den skyddande oxidfilmen på smältytan, leder till bildandet av nya oxider.
• Se till att smältan flyter smidigt in i formen under skydd av oxidfilmen.
  Forskning visar att aluminiumoxidfilmer har starka hygroskopiska egenskaper, som innehåller ungefär 2 viktprocent fukt.
  Om dessa oxidfilmer dras in i smältan, fukten de innehåller kommer att reagera med aluminiumet för att producera väte- och oxidinneslutningar, kraftigt försämrad ämneskvalitet.

Smältfiltreringsbehandling

Filtrering är den mest effektiva metoden för att avlägsna icke-metalliska inneslutningar från aluminiumsmältan.

För 6063 legeringsgjutning, två vanliga filtreringsmetoder används i stor utsträckning: flerskiktsfiltrering av glasfiberduk och keramisk filterplattafiltrering.

Viktiga operativa punkter inkluderar:

• Före filtrering, smältans ytslagg måste avlägsnas. En slaggbaffel bör installeras i tvätten för att separera ytslaggen från den strömmande smältan, förhindrar att filtret täpps igen och säkerställer smidig filtrering.
• Filtret bör förvärmas till samma temperatur som smältan för att undvika termisk chock på filtret och förhindra bildandet av kallstängda defekter i smältan.

5. Homogenisering Behandling av 6063 Aluminiumlegeringar

Icke-jämviktsstelning och dess effekter

Under gjutning, aluminiumsmältan stelnar snabbt, vilket resulterar i stelning i icke-jämvikt.

I ett binärt fasdiagram som består av två element A och B, när en legering med sammansättning F stelnar,
jämviktssammansättningen i fast fas vid temperatur T1 bör vara G, men den faktiska fastfassammansättningen är G' på grund av snabb kylning.

Detta beror på att diffusionshastigheten för legeringselement i den fasta fasen är långsammare än kristallisationshastigheten, leder till inhomogenitet i kemisk sammansättning inom kornen (Dvs., segregation).

Icke-jämvikt stelning av 6063 legeringsämnen resulterar i två huvudproblem:

1. Kvarvarande gjutspänning finns mellan kornen;
2. Kemisk sammansättning inhomogenitet inom korn på grund av segregation.

Dessa problem ökar svårigheten med efterföljande extruderingsbearbetning och minskar de mekaniska egenskaperna och ytbehandlingsprestanda för den slutliga profilen.

Därför, homogeniseringsbehandling är nödvändig för ämnen före extrudering.

Homogeniseringsbehandlingsprocess

Homogeniseringsbehandling är en värmebehandlingsprocess där ämnen hålls vid en hög temperatur (under överbränningstemperaturen) för att eliminera gjutstress och inre segregation av korn.

De viktigaste tekniska parametrarna är följande:

• Homogeniseringstemperatur: Överbränningstemperaturen för det ideala ternära Al-Mg-Si-systemet är 595°C,
  men den faktiska 6063 legering innehåller olika föroreningselement, vilket gör det till ett flerkomponentsystem.
  Därför, den faktiska överbränningstemperaturen är lägre än 595°C.
  Den optimala homogeniseringstemperaturen för 6063 legering är 530–550°C. Högre temperaturer inom detta område kan förkorta hålltiden, spara energi, och förbättra ugnens produktivitet.
• Hålltid: Hålltiden beror på ämnets diameter och kornstorlek.
  Finare korn kräver kortare hålltider eftersom diffusionsavståndet för legeringselement från korngränser till korninteriörer är kortare.

Energibesparande åtgärder för homogeniseringsbehandling

Homogeniseringsbehandling kräver höga temperaturer och långa hålltider, vilket resulterar i hög energiförbrukning och bearbetningskostnader, vilket är anledningen till att många profiltillverkare hoppar över denna process.

Effektiva energibesparande åtgärder inkluderar:

1. Kornförfining: Som nämnts tidigare, finare korn förkortar avsevärt den erforderliga hålltiden för homogenisering, minska energiförbrukningen.
2. Integrerad uppvärmningsprocess: Förläng ämnesvärmeugnen för extrudering, och implementera segmenterad temperaturkontroll för att möta både homogeniserings- och extruderingstemperaturkrav.
   Denna process har tre huvudsakliga fördelar:

• • Ingen ytterligare homogeniseringsugn krävs;
  • Värmen från det homogeniserade ämnet utnyttjas fullt ut, undvik upprepad uppvärmning före extrudering;
  • Långvarig uppvärmning säkerställer jämn temperaturfördelning inuti och utanför ämnet, vilket är fördelaktigt för extrudering och efterföljande värmebehandling.

6. Kvalitetssäkring: mätvärden och inspektion

Viktiga acceptanskontroller innan extrudering/gjutning frigörs:

• Kemisk analys (fullständig spektrokemisk MTR): verifiera huvudlegeringselementen och spåra föroreningar - särskilt Zn, Cu och Fe.
• Väteanalys / porositetsprovtagning: vätehalten i smältan (eller porositetsindex på provgjutgods) och röntgen/CT av representativa ämnen.
• Inklusionsnivå / filtreringseffektivitet: optisk inspektion av filterkakor, mikroskopiska inklusionsräkningar från laboratoriekuponger.
• Kornstorlek och fasfördelning: metallografiska kontroller efter provets stelning; ferrit/α kornstorlek, sekundära faser.
• Mekaniska kontroller: draghållfasthet och hårdhet på kuponger för att bekräfta lösning och legeringssvar.

7. Vanliga gjutningsfel — orsaker och åtgärder

8. Avancerade och processförbättrande tekniker

• Ultraljudsavgasning: genererar kavitation för avlägsnande av väte och kan bryta oxidfilmer - effektivt i vissa butiksimplementeringar för små ämnen och högvärdiga gjutgods.
• Vakuumavglasande / lågtrycksgjutning: minskar nivåerna av löst gas och kan förbättra matningen; används i premiumproduktion.
• Elektromagnetisk omrörning: när den appliceras noggrant, förfinar spannmål och homogeniserar temperaturen; undvik överdriven turbulens vid formytan.
• Automatiserad dosering och smältregistrering: exakt tillsats av masterlegering, AR/IR-spektrokontroll, och digitala smältloggar minskar mänskliga fel och säkerställer spårbarhet.
• Simuleringsverktyg: CFD för att designa lågturbulensgrind, och stelningsmodellering för att optimera termiska gradienter och minimera hot spots.

9. Miljö, säkerhets- och ekonomiska överväganden

• Fluxhanteringsrisker: klorid/fluoridsalter är frätande och hygroskopiska; bibehålla förseglad, torr förvaring. Tillhandahåll personlig skyddsutrustning och rökgaskontroll för fluxanvändning.
• Energihushållning: smältning och homogenisering är energikrävande; stegrade ugnssystem,
  spillvärmeåtervinning och processintegration (förvärm ämnen med avgasvärme) ger betydande kostnadsbesparingar.
• Skrot och återvinning: separera högvärdigt legeringsskrot kontra kontaminerat material; implementera smältpraxis för att begränsa trampelement och bibehålla legeringskvalitet.

10. Slutsats

Högkvalitativa gjutgods av aluminiumlegeringar och extruderingsmaterial är produkten av disciplinerad legeringskontroll, exakt smälthantering och väldesignad stelningspraxis.

För 6xxx serie legeringar som t.ex 6063, framgång beror på att bibehålla rätt Mg: Om balans, behålla orenhetselement (speciellt Zn) under praktiska trösklar för ytkvalitet,

undvika överhettning av smälta, med hjälp av effektiv raffinering (pulver + kontrollerad gasrening), uppnå en finkornig struktur, och applicering av lämplig homogenisering.

Genomför dessa åtgärder tillsammans - snarare än isolerat - och resultatet kommer att bli förutsägbara mekaniska egenskaper, robust ytkvalitet och färre kostsamma skrot- eller omarbetningshändelser.

 

Vanliga frågor

Varför är Zn <0.05 rekommenderas när många specifikationer tillåter 0.10?

Praktisk butik erfarenhet visar Zn nära 0.1 främjar vita fläckar efter oxidation/glödgning; reducera till <0.05 dämpar ytdefekter för ljusa/extruderade profiler.

Vad är den enskilt känsligaste smältparametern?

Smälttemperatur. Ovan ungefär 760 ° C löst väte stiger kraftigt och orsakar porositet och andra defekter; hålla smälttemperaturen kontrollerad och uppehållstiden minimal.

Pulverraffinering kontra högt gasflöde - vilket är bättre?

Använda rikligt med raffineringspulver med minimal, kontrollerat gasflöde. Stora gasflöden skapar stora bubblor med kort uppehåll: dålig avgasning och ökad turbulens.

Ökar kornförfining toleransen för gjuttemperaturen?

Ja — en effektivt kornraffinerad smälta tål något högre gjuttemperaturer (typ. 720–740 ° C) eftersom den mosiga zonen smalnar av och utfodringen förbättras; men överhettning bör fortfarande begränsas.

Kan gjutskrot återanvändas säkert?

Ja, men övervaka trampelement och separera efter legeringsfamilj. Återvunnet material ökar föroreningsbördan och kräver mer raffinerad smältövning och strängare MTR-kontroll.